交流调压及斩波电路

什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？

答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。上一章重点内容复习本文档共37页；当前第1页；编辑于星期三\20点0分第一节单相交流调压电路第五章交流调压电路与斩波电路

用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便地调节输出电压的有效值。可用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的起动和调速等，也可用作调节整流变压器一次侧电压，其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需用二极管，而且可控级仅在一次侧，从而简化结构，降低成本。交流调压器与常规的调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的输出仍是交流电压，它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。交流调压器的晶闸管控制通常有两种方法：本文档共37页；当前第2页；编辑于星期三\20点0分

①通断控制。即把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期（工频1周期为20ms），然后在开断一定的周期，改变通断时间比值达到调压的目的。这种晶闸管起到一个通断频率可调的快速开关的作用。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大的时间常数的负载，缺点是输出电压或功率调节不平滑。

②相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。

在交流调压中，相位控制应用较多，下面主要分析相位控制的交流调压器，先阐述作为基础的单相交流调压器。单相交流调压器的工作情况与它的负载性质有关。本文档共37页；当前第3页；编辑于星期三\20点0分一、电阻性负载VT1VT2u1u0Ri0αu0i0晶闸管单相交流调压电路及波形

晶闸管VT1和VT2反并联连接，或采用双向晶闸管VT与负载电阻连接到交流电源u1上。当电源电压正半周时触发VT1，负半周触发VT2，形同一个无触点的开关，允许频繁操作，因为无电弧，寿命特长。若正负半周以同样的移项角α触发VT1和VT2，则负载电压的有效值可以随α角而改变，实现交流调压，晶闸管电流的平均值、有效值；负载电压上的有效值和该调压器的功率因数表达式分别为：本文档共37页；当前第4页；编辑于星期三\20点0分晶闸管电流平均值IdT=√2U1/2πR（1+COSα）晶闸管电流有效值IT=U1/R√1/2（1－α/π+Sin2α/2π）负载R上电压有效值

U0=

U1√1/2πSin2α+[π－α]/π负载R上的电流有效值

I0=U0/R功率因数

COSφ=[U0I0]/[U1I0]=U0/U1U1为输入交流电压的有效值

随着α的逐渐增大，电阻R上的电压有效值U0逐渐减小。当α=π时，U0等于零，因此单相交流调压器对电阻性负载，其电压可调范围为0～U1，控制角α的移项范围为0≤α≤π。本文档共37页；当前第5页；编辑于星期三\20点0分二、电阻—电感负载VT1VT2u1u0Ri0u1iG2iG1αi0θU0αuAK1α

R—L负载是交流调压器最一般化的负载。两只晶闸管门极的起始控制点应分别定在电源电压每个半周的起始点，α的最大范围是0＜α＜π。正、负半周有相同的α角。

在一个晶闸管导通时，它的管压降为另一个晶闸管的反向电压而使其截止。于是在一个晶闸管导通时，电路工作情况和单相半波整流时相同。负载电流i0的表达式为微分方程式之解。晶闸管导通角

针对交流调压器，应附加导通角小于或等于180度的条件。本文档共37页；当前第6页；编辑于星期三\20点0分Ldi0/dt+Ri0=√2U1Sinωt另一个晶闸管导通时，情况完全相同，只是i0相差180°。与单相半波整流不同的是，现在有两个晶闸管，分别在电源电压的正、负半周工作，所以每个晶闸管的导通角不可能大于180°，而单相半波整流电路时，视不同的φ，θ可大于180°。本文档共37页；当前第7页；编辑于星期三\20点0分第二节三相交流调压电路

在大功率或者为某些三相负载控制方式时，通常采用三相交流调压器。三相交流调压器接线形式很多，各有其特点，其技术经济指标都不相同，把主要接线形式分述如下一、负载按YN联结的三相交流调压器电路NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WRiN

该电路各相通过零线自成回路，它相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合。电路中晶闸管承受的电压和电流就是接于相电压的单相调压器需要考虑的数值，该电路的缺陷是在零线中三次谐波电流很大。由于三次谐波属于零序分量，它在零线中的电流值为各相三次谐波电流值的代数和。本文档共37页；当前第8页；编辑于星期三\20点0分当控制角为90度时，零线电流近似额定相电流，所以零线的导线面积要求与相线的一致。另外，选用该电流还必须考虑电源变压器的零线是否允许通过这个相当于额定负载相电流的电流值。NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WRiN

各晶闸管门极的触发脉冲，同相间两管的触发脉冲应互差180度，三相间的同方向晶闸管的触发脉冲要互差120度。当控制角为零时，如同三相交流电路的YN联结，各相电压、电流对称，各相都有一个晶闸管导通，故零线电压iN＝0。随着控制角增大，各相电流波形出现缺口，表明在这段时间内该晶闸管关断，相电流为零，造成三项电流不平衡，有iN流过零线本文档共37页；当前第9页；编辑于星期三\20点0分二、用三对反并联晶闸管接成的——三相三线交流调压电路NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WR～～～uUuVuWO以电阻负载接成星形为例进行分析。由于没有零线，每相电流必须和另一相构成回路，与三相全控桥整流电路一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。设U是线电压的有效值，则三相线电压分别为本文档共37页；当前第10页；编辑于星期三\20点0分NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WR～～～uUuVuWOt0u2uuuvuwt2t1t3α=0VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1VT2VT5VT6晶闸管导通区间首先确定电路中门极起始控制点，把图中的晶闸管看成二极管，可以看出，在电阻负载时，从相电压过零时刻开始，相应的二极管就导通。因此，α＝0的点应定在各相电压过零点，不论单相还是三相调压器，都是从相电压由负变正的零点处开始计算α的，这一点与三相桥式整流电路不同。本文档共37页；当前第11页；编辑于星期三\20点0分

六只晶闸管门极触发的相序是VT1,VT3,VT5触发相位依次滞后120度，VT4,VT6,VT2的触发又分别滞后于VT1,VT3,VT5180度。这样，触发相位自VT1至VT6，依次滞后间隔为60度。当改变α时，该调压器有两种工作状态：在同一时刻，每一相有一只晶闸管导通，称为1类工作状态。这时线电流分别为iU1，iv1,iW1；在同一时刻，有一相两只晶闸管都不导通，另两相各有一只晶闸管导电，称为2类工作状态。这时现电流分别为iuv2,ivw2,iWU2，…等。1类工作状态，例如α＝0时的工作状态即属于此类工作状态，每相都有一只晶闸管导电，三相电压、电流及所有晶闸管的α都是对称的，因此三相电源中点N与三相负载中点O电位相等。2类工作状态时，有一相的两只晶闸管都不导电，所以电流只能在导电的两相间构成回路，电流通过两相负载电阻。本文档共37页；当前第12页；编辑于星期三\20点0分α＝0，电路全部按1类工作状态工作，三相电流是完整的正弦波。α＝30度时，属1类工作状态与2类工作状态每隔30度交替工作状况。α＝60度时，电路全部按2类工作状态工作。α＝90度时，电路全部按2类工作状态工作，且是电流临界断续状态。α>90度时，晶闸管每次导电都是断续的。

本文档共37页；当前第13页；编辑于星期三\20点0分例题：在单相交流调压电路中，当控制角小于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？答：当电源接通时，如果先触发T1，则T1的导通角θ>180°如果采用窄脉冲触发，当电流下降为零时，T2的门极脉冲已经消失而无法导通，然后T1重复第一周期的工作，这样导致先触发一只晶闸管导通，而另一只管子不能导通，因此出现失控。Φ＝tg-1(

L/R)VT1VT2u1u0Ri0本文档共37页；当前第14页；编辑于星期三\20点0分

第三节斩波电路

电力电子技术中的斩波器，就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制将直流电源电压断续加在负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流—直流变换器。现广泛应用与直流牵引的变速拖动中，如城市电车、地铁、蓄电磁车等。由于直流电路中的电流没有自然过零点，切断电流很困难。目前作为主开关器件用得较多的晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断能力，需设置换流回路，用强迫的方法使之关断，因而增加了损耗。采用自关断器件，省去了换流回路，又可提高斩波器的频率，是发展的方向，但应注意处理回路中存储能量的问题。本文档共37页；当前第15页；编辑于星期三\20点0分

直流斩波电路将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-----直流变换器本文档共37页；当前第16页；编辑于星期三\20点0分

若按不同的改变负载两端的直流平均电压的调制方法分，斩波器有三种工作情况。①主开关通断的周期T保持不变，而每次通电时间t1可变，称为脉冲调宽。②通电时间t1不变，而通断周期T可变，称为调频。③t1和T均可变，称为混合调制

按直流电源与负载进行能量交换的形式分，从原理上可分为三类：①A型斩波器，它只能在单象限工作，此时输出的直流电压极性不变，电流平均值也只能维持在一个方向本文档共37页；当前第17页；编辑于星期三\20点0分②B型斩波器，能在双象限内工作，这里指输出直流电压的极性不变，电流平均值的极性可变，既有电源向负载输送能量，又有负载向电源反送能量的能力。③C型（复合）斩波器，在B型斩波器的基础上，若输出电压和电流平均值的极性均可改变，既能在四象限内工作，如负载电动机能正、反转地在电动和发电情况下工作。A型斩波器中能在第一象限工作称为降压斩波器，能在第二象限工作的为升压斩波器。将这两个A型斩波器组合在一起既成为B型斩波器，两个B斩波器合在一起即为C型斩波器，故降压、升压斩波器是基础。本文档共37页；当前第18页；编辑于星期三\20点0分（BuckChopper)本文档共37页；当前第19页；编辑于星期三\20点0分本文档共37页；当前第20页；编辑于星期三\20点0分一、降压斩波电路E+－MEMVTLRi0I10I20i1i2tKu0EI20i0tKi1i2iGt1t2Tu0EEMiGt1t2T1降压斩波及其波形（b）（C）（a）（a）为降压斩波电路，其主开关采用晶闸管VT，为了使它关断所必须的换流回路图中未画出。在t=0时触发VT，因负载中有电阻和电感，负载电流i0按指数上升，晶闸管导电期间，负载电压U0等于电源电压E。U0本文档共37页；当前第21页；编辑于星期三\20点0分i0I10I20i1i2tKu0EiGt1t2T1降压斩波极其波形（b）当t=tK时刻，通过换流电路的作用，使晶闸管关断，负载电流通过二极管续流，负载电流按指数规律下降。为了减小负载电流的脉动，通常串接的电感很大。使负载电流能连续。到一周期T在触发VT时，重复上述工作。到稳态时，一周期内电流的初始值与终止值应相等。，如图b。这种负载电流连续的状态称为状态1，此时负载端直流输出电压的平均值为：U0=[t1/T]E=[t1/（t1+t2）]E=αE

t1为VT的导电时间，t2为VT的关断时间，α为导通比，它与U0成正比关系。改变导通比，就可以使U0从零到E之间连续变化。本文档共37页；当前第22页；编辑于星期三\20点0分I20i0tKi1i2iGt1t2Tu0EEM（C）tx

如果电感值很小，当负载电流按指数曲线下降到tx时，负载电流已衰减到零，（C图）tk＜t＜tx期间，VD导电，负载电压为零，tx＜t＜T，负载电流为零，但此时的负载电压等于负载反电动势Em。t=T时完成一个通断周期并开始下一个工作周期，把负载电流断续的状态称为状态2。

无论哪种工作状态，电路图中的负载电流和电压都只有正的方向，且只能在第一象限工作，并且U0≤E，故称为降压斩波电路。本文档共37页；当前第23页；编辑于星期三\20点0分本文档共37页；当前第24页；编辑于星期三\20点0分二、升压斩波电路E1LVDE2i1

此图为原理图，主开关器件仍是晶闸管VT，当其触发导通时，在电抗器L中积蓄能量；VT关断时，积蓄的能量和电源的能量共同供给负载。L足够大时，流过L的电流可看成一定值I1，设VT的导通时间为t1，VT导通时L继续积蓄的能量为E1I1t1；其次，在电容C足够大时，输出电压可看成定值，设VT的切断时间为t2，VT切断时间向负载释放的能量为（E1－E2）I1t2，稳态下这两种能量相等，既：E1I1t1=（E2－E1）I1t2E2=（[t1+t2]/t2）E1=（T/t2）E1T/t2＞1

所以输出电压比输入电压高。该电路可以把输入电压升高。这时，T/t2表示升压比本文档共37页；当前第25页；编辑于星期三\20点0分令β=t2/T=

t2/（t1+t2）（升压比的倒数）则β和斩波器导通比α有如下关系α+β=1因此E2=[1/β]E1=（1/[1－α]）E1另外，从定义可得负载电流的平均值I2为

I2=[t2/T]I1=βi1因此，输入输出功率关系为E1I1=E2I2如果斩波器中VT是没有损耗的理想开关，则输入功率和输出功率相等，故升压斩波器也可看成是直流变压器。

通常，升压斩波器多